Изучение кинетики процесса сушки под вакуумом

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 18

I. Цель работы

Экспериментальное определение убыли массы высушиваемого ма­териала в зависимости от времени сушки, определение критического влагосодержания, определение скорости процесса в различные пери­оды сушки.

Содержание работы

1) изучить методику исследования процесса сушки под вакуумом.

2) Провести эксперимент по изучению кинетики процесса сушки под вакуумом, в ходе которого установить зависимость убыли массы высушиваемого материала от продолжительности процесса

3) По полученным данным определить для каждого момента времени влагосодержания высушиваемого материала, скорость сушки, построить кривую кинетики сушки, определить критическое влагосодержание материала, определить коэффициент массоотдачи сопоставить его значение с коэффициентом, рассчитанным по критическому уравнению.

3. Теоретическая часть

Сушка применяется в химической промышленности для удаления влаги из влажных материалов. В процессе сушки влагосодержание в каждой точке влажного материала уменьшается и стремится к равновесном значению . Состояние системы влажное тело-газ является равновесным, если оно не изменяется во времени под действием внутренних факторов. При этом подразумеваются, что внешние усло­вия (температура, давление и т.д.) также не изменяются во времени.

Обычно считают, что в начальный период времени влагосодержание по всему объему высушиваемого материала одинаково и равноω_н.Типичные графики изменения во времени средних по объему влагосодержания телаω= ω(t) (кривая кинетики сушки) и температуры телаТ=Т(t) представлены на рис. 18.1. Кривую кинетики суш­ки можно разделить, на три участка: 1) прогрева; 2) постоянной скорости (первый период); 3) падающей скорости (второй период). В период прогрева тепло, подводимое к материалу от воздуха, расхо­дуется на прогрев материала от начальной температуры до температуры мокрого термометра (или адиабатического испарения жидкости) и на испарение влаги. Образующийся пар диффундирует через пограничный слои в окружающий воздух. В материале возникает разность концентраций влаги, и она начинает перемещаться из внутренних слоев к поверхности.

Перемещение влаги и её удаление из материала зависят от многих условий и в том числе и от формы связи влаги с материалом. Различают свободную и связанную (гигроскопическую) влагу. Свобод­ная влага находится на поверхности и в крупных порах материала и ее удаление при сушке происходит со скоростью, равной скорости испарения влаги со свободной поверхности воды. Связанная влага содержится в микроспорах материала и находится в капиллярном, абсорбционном, абсорбционно–химическом и химическом взаимодействии, а также находится в замкнутых порах (влага набухания). В определенный момент времени температура материала достигает температуры мокрого термометра, соответствующей состоянию окружающего возду­ха, а давление паров воды над материалом становится равным давле­нию насыщенных паров чистой жидкости. В период удаления влаги до значения влагосодержания w ≥ w₂ температура и давление паров жидкости над поверхностью материала постоянны. При этом скорость сушки - количество испаренной влаги в единицу времени с единицы поверхности -остается постоянной и на зависящей от влагосодержания материала.

Как только влагосодержание материала становится ниже гигроскопического w₂, давление паров жидкости над поверхностью ма­териала уменьшаются, и скорость сушки падает. Причина этого паде­ния заключается в том, что скорость перемещения влагииз внут­ренних слоев к поверхности становится меньше скорости испарения жидкости с поверхности материала. Одновременно повышается темпе­ратура материала. При достижении равновесной влажностиw_p давление паров жидкости над поверхностью материала равно давлению па­ров в окружающей среде, и испарение влаги прекращается. Температу­ра материала в этот момент приближенно равна температуре окружающей среды. Этот период обычно называют периодом падающей скорости сушки, когда интенсивность процесса является функцией влагосодержания материала. Период прогрева в большинстве случаев непродолжителен по сравнению с общей длительностью процесса сушки, поэто­му период постоянной скорости сушки обычно называют первым, пери­од падающей скорости - вторым периодом сушки.

На рис.18.2 представлена зависимость скорости сушки от влагосодержания материала. Кривые скорости имеют аналогичные харак­терные точки перехода из одного периода сушки в другой. Необхо­димо ответить, что переход от первого периода сушки ко второму происходит в тот момент, когда влагосодержание на поверхности ма­териала станет равный гигроскопическому. Во внутренних слоях ма­териала влагосодержание остается выше гигроскопического. Поэтому среднее по объему влагосодержание, соответствующее точке перехода ко второму периоду сушки, называется критическимW_kp > W₂.

Скорость сушки можно определить следующим образом:

.1)

где W - количество удаляемой из материала влаги, кг;t - время, с; F - поверхность материала,м²; w – влагосодержание материала по абсолютно сухому веществу, кг влаги/кг сух. Таким образом, скорость сушки пропорциональна убыли влагосодержания высушиваемого материала во времени.

Для первого периода можно считать, что скорость испарения пропорциональна разности концентраций (или давлений пара) у по­верхности испарения и в окружающей среде ∆ с (∆ р), а также поверхности испарения, т.е.

.2)

Где b_е , b_р – коэффициент испарения, учитывающий аэродинамические условия испарения и физические свойства жидкости, м/с.

Коэффициент испарения можно определить, используя для этой цели критериальное уравнение

3)

где - число Шервуда; - число Рейнольдса.

- число Шмидта; l – длина образца в направлении движения воздуха; Д- коэффициент диффузии; υ - скорость воздуха; ν – кинематический коэффициент вязкости.

Значения коэффициентов с и n для различных значений чисел Рейнольдса приведен в табл.18.1.

Таблица 18.1

число Рейнольдса	Коэффициенты
Re	c	n
	0.51	0.58
	0.38	0.62
	0.21	0.68

 

Продолжительность периода постоянной скорости сушки может быть рассчитана по уравнению:

. 4)

где к – константа скорости процесса сушки, 1/с; w_н, w_кр , w_p – начальное, критическое и равновесное влагосодержания материала по абсолютно сухому веществу:

5)

 

Для периода падающей скорости интенсивность испарения влаги зависит от большого количества факторов (толщины материала, его структуры, физико-химических свойств жидкости, температуры материала). Ввиду большого количества факторов, оказывающих влияние на скорость процесса, математическое описание его чрезвычайно сложно. Продолжительность периода падающей скорости сушки можно определить в большинстве практических случаев только по экспериментальным данным. В технических расчетах предполагается, что скорость сушки описывается следующей зависимостью:

6)

Пусть u^v_k – конечное влагосодержание материала по абсолютно сухому веществу; z- опытный коэффициент. В этом случае продолжительность периода падающей скорости сушки можно определить по приближенному уравнению

7)

Практическое использование критериального уравнения (18.3) ограничено в связи с техническими трудностями в определении концентрации и давления паров в окружающей среде и над поверхностью высушиваемого материала. Более доступным параметром для экспериментального определения является температура, поэтому кинетические закономерности процесса сушки удобнее рассматривать с точки зрения переноса тепла. Для периода постоянной скорости сушки скорость переноса тепла от сушильного агента к высушиваемому материалу (при условии, что все подводимое тепло расходуется на испарение влаги) можно определить следующим образом:

, 8)

где α – коэффициент теплоотдачи к поверхности материала; Т, Т_нт – температура сушильного агента и мокрого термометра, соответственно; ε – коэффициент, учитывающий во сколько раз действительная поверхность испарения больше геометрической, для тканых материалов ε=3.14

Коэффициент теплоотдачи к поверхности можно рассчитать из критериального уравнения (для пластины).

,.9)

где - число Нуссельта; - число Прандля; - число Гухмана; λ- коэффициент теплопроводности; a – коэффициент температуропроводности.

 

 

Значения коэффициентов А и n зависят от числа Рейнольдса (табл.18.2).

 

Таблица 16.2

Значения коэффициентов A и n

Значения числа Рейнольдса	Коэффициенты
Re	A	N
1 - 200	0.9	0.5
200-6000	0.87	0.54
6000-70000	0.347	0.65

 

4. Описание лабораторной установки

Схема установка изображена на рис.18.3. Установка состоит из вакуумного сушильного шкафа 1 с электрообогревном. Аппарат снабжен системой регулирования температуры 2 - 5 и системой замера веса 6. Заданное значение температур устанавливается с помощью регулятора 4. Высушиваемый образец подвешивается в сушильном шка­фу на тяге весов 6. Вакуум в аппарате обеспечивается с помощью вакуумoгo насоса в и регулируется вентилем 7. Изменение массы высушиваемого материала контролируется по шкале весов. Температура в аппарате регистрирует с помощью сухого и мокрого термометров 8.

5. Методика проведения экспериментов

5.1. Включить сушильный шкаф. Регулятор температуры установить в положение, заданное преподавателем (в диапазоне 50 - 80 °С). С помощью вентиля установить остаточное давление в сушильной ка­мере (в пределах 0,4 - 0,8 ата). Установка прогревается до установления в камере заданного значения температуры.

5.2. За время прогрева сушильного шкафа образец материала подсушивают на электрической плитке до тех пор, пока его масса не примет постоянного значения. Массу абсолютно сухого образца записывают в табл. 18.3.

5.3. Смочить образец водой и массу влажного материала записать в табл. 18.3.

5.4. Поместить образец в сушильный шкаф, подвешивая его на тяге весов.

5.5. Герметично закрыть дверь шкафа.

5.6. Через равные промежутки времени по шкале весов фикси­ровать массу образа и показания записать в табл.18.3. За изменение массы наблюдать до тех пор, пока масса материала не ста­нет равной массе абсолютно сухого образца.

5.7. Образец вынуть из сушильного шкафа и отключить уста­новку.

5.8. Записать в табл. 18.3 показания вакуумметра и термо­метров.

 

6. Методика обработки экспериментальных данных

6.1. По опытным данным для каждого из замеров определяется потеря массы высушиваемого образца:

∆ m = m_i - m_i+1

где ∆ m - потеря массы, кг; m_i, m_i+1 - масса предыдущего и последующего замеров, соответственно.

6.2. Рассчитывается влагосодержание материала по абсолютно сухому веществу:

6.3. Рассчитывается скорость изменения влагосодержания образца:

,

где i - номер замера; ∆ t - интервал времени между соседними замерами.

6.4. Определяется скорость сушки:

,

где F – поверхность (общая) высушиваемого образца.

 

6.5. Строятся на миллиметровой бумаге графики зависимостей влагосодержания от продолжительности сушки, скорости сушки от влагосодержания. По графикам определяют значения критического влагосодержания, продолжительность каждого периода сушки.

6.6. Определяется константа скорости сушки, используя урав­нение (I8.6).

6.7. Определяется опытное значение коэффициента теплоотдачи:

,

где r - теплота испарения влаги.

6.8. Вычисляется по критериальному уравнению расчетное значение коэффициента теплоотдачи. Значение числа Реинольдса рассчиты­вается по уравнению

,

где Q_v - объемная производительность вакуумного насоса, м³/с;

F_к - площадь поперечного сечения камеры сушильного шкафа,м²;

l - размер образца в направлении движения газа,м; n - кинемати­ческий коэффициент вязкости воздуха при температуре опыта, м²/с.

Таблица 18.3

Экспериментальные данные и расчетные величины по исследованию кинетики сушки

 

Опытные данные	Расчетные величины
Время t	Масса образца m	∆m	w		k	aэкс
мин	г	г	-	1/м2с	мин-1	Вт/м2К

 

7. Контрольные вопросы

1) Назначение процесса сушки.

2) Формы связи влаги с материалом, влага свободная и связанная.

3) Способы выражения влагосодержания материала.

4) Области применения вакуумных сушилок,их преимущества и недостатки, конструкции вакуумных сушилок.

5) Скорость сушки (физический смысл), факторы, влияющие на скорость сушки.

6) Кинетическая кривая сушки.

7)Два периода сушка, граница перехода.

8) Методика проведения эксперимента.

9) Порядок обработки опытных данных.

10) Определение продолжительности процесса сушей.